IFW Forschungsprogramm



Dem Unerforschten auf der Spur

Das IFW Forschungsprogramm bringt die Disziplinen, Methoden und Kompetenzen der fünf IFW-Institute zusammen. Bei aller Breite und Interdisziplinarität gilt für alle Forschungsaktivitäten des IFW, dass sich die Wissenschaftler mit noch unerforschten Eigenschaften neuer Materialien beschäftigen, mit dem Ziel, neue Funktionalitäten und Anwendungen zu erschließen.

Drei Eckpfeiler

Quantenmaterialien
... sind Stoffe mit Quantenphänomenen, die für Anwendungen nutzbar gemacht werden können.

Funktionsmaterialien
... sind Stoffe, die auf Grund ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften bestimmte Aufgaben erfüllen können.

Nanoskalige Materialien
... sind Stoffe, deren Größe in einer oder mehreren Dimensionen 100 Nanometer oder weniger beträgt, wodurch ihre Eigenschaften stark beeinflusst werden.

Research Area 3:Quantum effects at the nanoscaleResearch Area 2:Functional through sizeResearch Area 1:Functional quantum materialsResearch Area 4:Towards productsQuantumMaterialsNanoscaleMaterialsFunctionalMaterials

Vier Forschungsgebiete des IFW

Die Verknüpfung der drei Felder Quantenmaterialien - Nanoskalige Materialien - Funktionelle Materialien ist das Alleinstellungsmerkmal des IFW. Entlang der Verbindungen dieser Felder haben wir drei Forschungsbereiche definiert, die  wir strategisch von Grundlagen bis zu Funktionalitäten bearbeiten. Das vierte Forschungsgebiet in der Mitte des Dreiecks beinhaltet Forschung zu Materialien und Systemen, die bereits Anwendungsreife erreicht haben.


	surface of a chip, violet illuminated in dark surroundling

Research Area 1

Funktions-Quanten-Materialien

Quantenphänomene, die ganz neue Funktinalitäten in Materialien hervorrufen können

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	micro-antenna made from flexible nanomembranes

Research Area 2

Funktion durch Nanoskaligkeit

Materialfunktionen, die sich durch Nanostrukturen in Membranen oder Legierungen ergeben

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	close look into a high vacuum chamber with complex device for smple movement and positioning

Research Area 3

Quantenphänomene im Nanomaßstab

Neue Konzepte für elektronische und photonische Bauelemente basierend auf  der Quantenphysik

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	a chip on a one cent coin

Research Area 4

Vom Material zum Produkt

 Anwendungsorientierte Forschung bis hin zu Prototypen und Produkten

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Forschungsgebiet 1

Funktions-Quanten-Materialien

Im Forschungsgebiet 1 erforschen wir Materialien, deren elektronische Eigenschaften zu neuen Funktionalitäten mit interessantem Anwendungspotential führen können.  Diese komplexen, elektronischen Eigenschaften können

  • aus einem komplexen Zusammenspiel von elektronischen Spin-, Orbital-, Ladungs- und Gitterfreiheitsgraden resultieren,
  • durch starke elektronische Korrelationen entstehen,
  • durch konkurrierende oder stark frustrierte magnetische Wechselwirkungen verursacht sein,
  • im Zusammenhang mit topologisch geschützten Spin- und Ladungszuständenstehen.

Die physikalischen Eigenschaften manifestieren sich in einer Reihe von Materialklassen: in bestimmten Übergangsmetalloxiden, in molekularen Feststoffen und in intermetallischen Materialien. In all diesen Systemen behalten die Valenz- und Leitungselektronen ihren  atomaren Charakter bei, was zu einem vielseitigen Zusammenspiel von lokalisierten und delokalisierten elektronischen Freiheitsgraden führt. Das unterscheidet diese Materialien sowohl praktisch als auch konzeptionell sehr deutlich von einfachen Metallen und Halbleitern mit gut verstandener elektronischer Struktur. Häufig führt das quantenmechanische Wechselspiel zwischen den lokalisierten und delokalisierten elektronischen Freiheitsgraden zu anomalen Ladungstransporteigenschaften, beispielsweise aufgrund von Metall-Isolator-Übergängen, und zu außergewöhnlichen Ordnungsphänomenen wie unkonventionelle Formen der Supraleitung und Quantenmagnetismus. Hieraus resultierende und nutzbare Funktionalitäten sind z.B. große magnetokalorische Effekte, Hochtemperatursupraleitung, Magnetismus mit sehr starker Anisotropie und Riesenmagnetowiderstand.

Research Topics im Forschungsgebiet 1 "Funktions-Quanten-Materialien"

1.1          Exotische Grundzustände und niedrigenergetische Anregungen
1.2          Unkonventionelle Supraleitung  Mechanismen, Materialien & Anwendungen
1.3          Magnetische Materialien für Energieanwendungen
1.4          Magnetische Mikrotexturen

Forschungsgebiet 2

Funktion durch Nanoskaligkeit

Die Funktionalität eines Materials hängt entscheidend von der Partikelgröße und Oberflächeneffekten ab, was wiederum den Anwendungsbereich der Materialien definiert. Viele Eigenschaften ändern sich beim Übergang vom makroskopischen über den mikroskopischen zum nanoskopischen Maßstab. Das wird deutlich in nanostrukturierten Legierungen, die  im Leichtbau und als hochfeste Werkzeuge Anwendung finden. Ein weitere Schwerpunkt sind elastische oder aufgerollte Nanomembranen, die  in einer neuen Generation von flexiblen und kompakten On- und Off-Chip-Bauelementen  eingesetzt werden. Im Forschungsgebiet 2 befassen wir uns außerdem mit der Entwicklung neuer thermoelektrischer Materialien. Durch Nanostrukturierung und den Eisatz spezieller Legierungen soll die Effizienz thermoelektrischer Bauelemente erhöht werden, um das Anwendungspotential zu erweitern.  All diesen Themen beleuchten die Struktur,  die chemische Zusammensetzung und  die physikalischen Eigenschaften von Materialien auf unterschiedlichen Längenskalen. Die Forschung wird von der Vernetzung interdisziplinärer Teams aus Material- und Elektroingenieuren, Physikern und Chemikern getragen.

Research Topics im Forschungsgebiet 2 "Funktion durch Nanoskaligkeit"

2.1          Erstarrung und Nicht-Gleichgewichts-Phasen
2.2          Multifunktionelle anorganische Nanomembranen
2.3          Mikromotoren & Wirkstofftransport
2.4          Thermoelektrische Materialien

Forschungsgebiet 3

Quantenphänomene im Nanomaßstab

In diesem Forschungsbereich beschäftigen wir uns mit Materialien und Strukturen deren quantenmechanischen Effekten auf ihre Nanoskaligkeit zurückzuführen sind. Dies sind sehr dünne Filme, Oberflächen und Grenzflächen, Quantenpunkte, photonische Kristalle und molekulare Nanostrukturen wie Fullerene, leitende Polymere und organische Halbleiter.
Im Bereich der Nanophotonik bearbeiten wir grundlegenden Themen wie die Erzeugung von Einzelphotonen und verschränkten Photonenpaaren mit Halbleiter-Nanomaterialien, starke Licht-Materie-Wechselwirkungen im Quantenbereich. Mehr angewandte Fragestellungen betreffen die Herstellung moderner photonischer Bauelemente wie Quanten-Leuchtdioden, aufgerollte optische Mikrokavitäten und 3D-Photonische Kristalle. Das Ziel dieser Forschung ist die Realisierung einer integrierten opto-elektronischen Plattform zur Erzeugung komplexer photonischer Funktionalitäten.
Auf der Nanoskala können auch völlig neue physikalische Eigenschaften entstehen, etwa an Oberflächen und Grenzflächen topologischer Isolatoren. Dort ist der Spin von Oberflächenelektronen an ihren Impuls gebunden - eine Eigenschaft, die im Kontext der Spintronik interessant ist. Die Arbeit in diesem Bereich ist ein weiteres Beispiel für die Interdisziplinarität unserer Forschung, In enger Kooperation wirken experimentelles Knowhow und theoretische Expertise zusammen, um neue topologische Isolatoren zu erforschen und ihre Oberflächenzustände und Transporteigenschaften zu verstehen.

Research Topics in Forschungsgebiet 3 "Quantenphänomene im Nanomaßstab"

3.1          2D Systeme und heterogene Grenzflächen
3.2          Quanten- und Nano-Photonik
3.3          Funktionelle  moleculare Nanostrukturen und Grenzflächen
3.4          Topologische Zustände der Materie

Forschungsgebiet 4

Vom Material zum Produkt

Forschungsgebiet 4 umfasst Materialsysteme, deren Eigenschaften im Hinblick auf konkrete Anwendungen, Prototypen und Produkte optimiert werden. Dies geschieht in der Regel in enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern. Forschungsergebnisse, die wirtschaftliche Bedeutung haben können, werden frühzeitig patentrechtlich geschützt. Eine große Zahl nationaler und internationaler Patente belegt die Praxisrelevanz dieser Themen.
Ein typisches Beispiel sind akustische-Oberflächenwellen-Bauelemente. Diese werden als Frequenzfilter zur Auswahl von Signalübertragungskanälen und Sensoren verwendet. Sie bestehen aus einem piezoelektrischen Einkristallchip, auf dem elektrische in akustische Signale und wieder zurück umgewandelt werden. Das IFW hat auf diesem Gebiet wichtige Innovationsbeiträge geleistet, die direkten Einfluss auf die Produkte haben, z.B. die Verbesserung der Temperaturstabilität und der elektromechanischen Anregung durch Aufbringen eines speziellen Dünnschichtmaterials.
Weitere Projekte in Forschungsgebiet betreffen Materialien für bio-medizinische Anwendungen, Legierungen für hochfeste Werkstoffe, Nanomembranen für flexible magnetoelektronische Bauelemente und Demonstratoren für die Anwendung von Hoochtemperatursupraleitern.

Research Topics in Forschungsgebiet 4 "Vom Material zum Produkt"

4.1          Akustische Oberflächenwellen: Konzepte, Materialien & Anwendungen
4.2          Materialien für die Energiespeicherung
4.3         Hochfeste und biokompatible Legierungen
4.4          FlexMag: Entwicklungszentrum für flexible magnetoelektronische Bauelemente
4.5          Konzepte und Materialien für supraleitende Anwendungen

Quantenmaterialien

Quantenmaterialien sind Stoffe, die besondere Quantenphänomene zeigen. DIese werden von unkonventionellen Spin-Wechselwirkungen, elektronischen Korrelationen, Elektron-Photon-Wechselwirkungen und / oder topologischen Bandstrukturen verursacht. Beispiele sind Supraleitung und Magnetismus. Auch in nanoskaligen Systemen spielen Quanteneffekte eine wichtige Rolle.

Funktionsmaterialien

Funktionsmaterialien können auf Grund ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften bestimmte Aufgaben erfüllen: zum Beispiel den Strom leiten, elektromagnetische Wellen einer bestimmten Frequenz filtern, ein magnetisches Feld abschirmen oder  Energie speichern.

Nanoskalige Materialien

Nanoskalige Materialien sind Stoffe, deren Größe in einer oder mehreren Dimensionen 100 Nanometer oder weniger beträgt. Dies kann ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften stark verändern und zu neuen Funktionalitäten führen. Im IFW forschen wir an molekularen Nanostrukturen, aufgerollten Nanomembranen, Nanopartikeln, nanokristallinen Legierungen und lithographisch hergestellten Nanostrukturen.